CN101592941B

CN101592941B - 异类plc多级冗余控制系统

Info

Publication number: CN101592941B
Application number: CN2008100980998A
Authority: CN
Inventors: 陆乐; 于建平; 刘基顺; 王俊伟; 田广军; 吴涧彤; 孔宪旺; 陈强; 郭华; 周杭君; 吴继轩; 李由; 王媛丽
Original assignee: Engineering Design and Research Institute of General Armament Department
Current assignee: Engineering Design and Research Institute of General Armament Department
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: CN101592941A

Abstract

一种异类PLC多级冗余控制系统，包括管理级、过程级、现场级三级，管理级包括同类控制台1、2和异类控制台3，控制台包括接收模块、储存模块、发送数据模块和监控模块；过程级包括同类PLC控制系统、异类PLC控制系统和切换开关；现场级有各类现场设备；控制台通过网络连接来实现数据的传递，每一路控制台、PLC控制系统以及现场设备呈串联关系，而在三路PLC控制系统之间用切换开关相连；当主控制系统出故障时，首先切换到其从系统上工作，如果从系统仍然无法正常工作，则切换到备份系统接替其继续工作。本发明避免了同类机制故障造成的停机，提高了系统的鲁棒性和容错能力，为重大表演活动中使用的机械控制系统提供了有力的保障。

Description

异类PLC多级冗余控制系统

技术领域：

本发明涉及一种舞台机械设备自动控制系统，尤其涉及大型演艺机械设备控制系统。

背景技术：

冗余设计技术主要针对系统可能出现的永久性、瞬间性和间歇性故障，针对整个系统或是系统中的某些重要部分进行备份或并行设计。

传统的控制系统冗余一般因受到性价比的制约而采用局部或同类机制硬件冗余，如同类型的可编程控制器(PLC)冗余，网络冗余等。局部或同类机制冗余只解决了部分硬件的可靠性，有些情况下由于PLC系统或与其相关的控制软件编制系统存在缺陷导致控制故障时，系统无法提供控制冗余，因为作为冗余的PLC控制软件及操作系统与主PLC系统完全一样，当由系统缺陷或非逻辑错误出现时，主备系统会犯同样的错误，冗余系统无法在该故障下进行有效的切换，保障正常工作。这就是局部或同类机制冗余的局限性。

目前国内舞台机械控制系统的模式为：上层的工控机(IPC)监控软件(人机界面)通过MPI网或以太网与下层的PLC连接，PLC通过现场总线(DP)与其下层的执行元器件、拖动设备等连接，从而形成一个层次式控制方式，其控制核心为PLC，。有条件的在PLC部分进行双PLC备份，当然，对控制台(人机交互界面)、变频器、电机等设备视重要程度也可以进行冗余双备份；

国外舞台机械控制系统一般采用服务器通过以太网连接轴控制器(代替PLC的产品)，轴控制器控制执行元器件和拖动设备，采集设备信号，它也是一种层次式控制方式。服务器和轴控制器采用冗余设计以提高可靠性，其网络连接采用星形冗余网络连接方式。可见对控制系统关键部位采取冗余设计已经成为提高机械控制系统可靠性的有效方式。但是这种冗余设计均是基于同类型设备间的备份，如果主系统发生某种故障(如软件、硬件潜在的固有缺陷在某种特殊条件下触发)无法正常工作，那么切换到同类型的备份系统后也有可能因同样的问题而无法正常工作。因此我们考虑在同类型PLC和IPC设备备份的基础上，采用另外一种类型的PLC和IPC设备进行备份，以避免因同类型问题引起同类型备份设备无法正常工作的故障。

发明内容：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种异类PLC多级冗余控制系统，避免了部分冗余或同类机制冗余的局限性造成的故障，能够应对各种故障情况的紧急备份控制手段。

该系统包括管理级、过程级、现场级三级。管理级包括同类控制台1、2和异类控制台3，控制台1、2、3通过网络连接来实现数据的传递，每个控制台包括接收模块、储存模块、发送数据模块和监控模块；过程级包括两路同类PLC控制系统、一路异类PLC控制系统以及切换开关；其中，两路同类PLC控制系统中，首先处于运行状态的一路视为主PLC控制系统，另一路视为从PCL控制系统，而在三路PLC控制系统之间用切换开关相连；现场级包括变频器和电机等设备。每一路控制台、PLC控制系统以及现场级设备呈串联关系。其运行过程如下：控制台1通过输入模块输入控制数据，由储存模块进行储存后、经发送数据模块向主PLC控制系统发送对现场级设备的控制数据，主PLC控制系统保存对设备控制数据的同时，对现场级设备进行程序控制使设备按照设定的场景场次运动；同时，控制台2的监控模块根据心跳原理通过从PLC控制系统读取当前设备的状态、位置等数据来监控主PLC控制系统的当前工作，如果没有心跳，则通过同类PLC控制系统之间的切换开关进行切换；由于实时数据交换，当切换到另一PLC控制系统时仍然可以获取当前场景执行场次，继续工作；控制台3的监控模块不断的检测处于使用中的从PLC控制系统，当从PLC控制系统发生故障时，控制台2的发送数据模块将监控模块监控到的故障信息和当前需要执行的场景数据发送给控制台3，控制台3的接收模块接收该信息和数据后，由储存模块储存，并通过发送数据模块向切换开关发送切换指令，同时向异类PLC控制系统发送当前需要执行的场景数据，将运行场景切换到当前接续工作的场景上，以使系统在故障点继续开始工作；其中，同类与异类之间的切换开关是运用标志位由0变为1进行故障切换。

本发明的有益效果在于：

舞台、剧院及大型演出仪式表演的机械动作过程中，任何环节的故障可能导致演出中断，带来不可弥补的损失。必须具备应对各种故障下的备份控制手段，在极短的时间内恢复正常演出，将影响减到最低。双CPU实时在线并行运行、监视，快速等待(秒级)自动切换的控制系统极大的提高了系统的可靠性；而多级异类机制PLC冗余备份的手段的实现，则避免同类机制的故障造成的停机，提高了系统的鲁棒性和容错能力，这一技术为重大演出、表演活动中使用的机械控制系统提供了有力的保障。

附图说明

图1-异类PLC多级冗余控制系统结构图；

具体实施方式：

本实施例中管理级的控制台1、2采用西门子S7-300，控制台3采用贝加莱2003，过程级的主、从PLC采用西门子S7-400，备PLC采用贝加莱2005，现场级的PLC采用西门子ET-200。其中设计安装了若干机械装置，一个是叉架升降平台(升降台)，另一个是若干点吊机(单点吊)。每个电动机由一台变频器驱动。主从两台电机同轴连接，机械结构保证转速转向相同，主从电机共用一个编码器。

在过程级PLC控制系统中，S7-400作为整个控制系统的核心，通过以太网和管理级通信。双PLC的DP总线通过Y-LINK模块形成一个DP总线控制多台变频器。而在异类PLC多级冗余控制系统中，采用贝加莱的PLC 2005系列产品，向上使用PowerLink总线与控制台的远端站点通讯，使用以太网和上位机及触摸屏通讯。向下使用DP总线控制所有变频器。整个系统通过中继器来切换S7-400和B&R两套控制系统对变频器总线的控制权。

控制系统实时监视所有设备运动的参数(速度、位置、限位、负载等信号)，各设备按设定的运动参数和内置于控制系统中的保护措施运行，以保证设备安全，并满足定位精度和同步精度的要求。当有紧急情况发生或运动误差超过允许范围时，系统将采取有效措施。设备运行的距离受到行程终止限位开关或超程限位开关的控制。

服务器连接于以太网上，通过与上位机的交互完成信息存取的功能。所有用以太网通讯的设备都连接在集线器上，通过不同的IP地址进行区分。因为所有的设备都连接在集线器上，所以其中任何一台设备出现故障，都不会影响其他设备的正常工作。主从PLC分别从CPU的DP端口引出两条DP总线，通过两个中继器和控制台相连，形成两条DP链路，通过中继器的输出相连，连接了这两条DP链路。当主PLC工作时，继电器把选通电路切换到和主PLC相连的中继器，通过该中继器的输出与两个控制台传输信号。同样的，当从PLC工作时，继电器选从中继器，通过从中继器的输出端与两个控制台传输信号。通过中继器连通两条独立的DP网络，设备冗余备份的同时，做到通信线路的冗余备份。主PLC工作时，信号通过DP1网络向下传达，从PLC工作时，信号通过DP2网络向下传达。两条DP线通过Y-LINK模块形成一条DP总线，再与贝加莱2005控制系统的DP总线经过一个中继器DP总线切换电路与变频器通信，操作电机。同时，主从S7-400的两条DP线又分别接两个ET-200站点，同时读写IO信号。X1作为220V三相交流电的输入，X2作为三相交流电的输出，控制电动机，X15接受电动机增量编码器的数据反馈。对于单点吊设备来说，两台同轴电机共用一个编码器，主从两台变频器同时接收这一个编码器的反馈。

三个控制台的监控软件均同时运行，并监控各自PLC的运行状态。控制台监控软件针对异类冗余PLC设计要求能够做到自动判别和切换。控制台1、2的监控程序根据心跳原理监控当前工作的西门子PLC是否正常工作，如果没有心跳，则在主从PLC之间进行切换；主从PLC之间的数据是实时交换并保持一致的，这一点由PLC程序执行保证。监控程序与PLC数据交换是指监控程序从PLC读取当前设备的状态、位置等数据，同时向PLC发送对设备的控制数据，通过PLC对设备进行程序控制，使设备按照设定的场景场次运动。PLC获得控制台指定的场景执行场次并保存，这样在监控程序切换到从PLC时仍然可以获取当前场景执行场次，继续工作。在控制台指定执行场次时，监控程序将当前场景场次数据记录到服务器中。

控制台3的监控程序启动后不断的检测PLC控制数据中关于切换的标志位。当切换标志位由0变为1时表示控制系统切换到由贝加莱PLC控制的控制系统上，于是它首先从服务器读取当前需要执行的场景数据，将运行场景切换到当前接续工作的场景上，与PLC进行数据交换。

三个控制台上的监控程序所设定的场景执行程序需要保持一致。

Claims

1.一种异类PLC多级冗余控制系统，该系统包括管理级、过程级、现场级三级，管理级包括同类控制台和异类控制台，其中同类控制台为第一控制台和第二控制台，异类控制台为第三控制台，

其中每个控制台都包括接收模块、储存模块、发送数据模块和监控模块；过程级包括两路同类PLC控制系统、一路异类PLC控制系统以及切换开关；现场级包括现场级设备，现场级设备包括变频器和电机；

其特征在于：它们的连接关系在于：第一控制台、第二控制台、第三控制台通过网络连接来实现数据的传递，每一路控制台、PLC控制系统以及现场级设备呈串联关系，而在三路PLC控制系统之间用切换开关相连；其中，两路同类PLC控制系统中，首先处于运行状态的一路视为主PLC控制系统，另一路视为从PLC控制系统；

其特征还在于，该异类PLC多级冗余控制系统的运行过程如下：第一控制台通过输入模块输入控制数据，由储存模块进行储存后、经发送数据模块向主PLC控制系统发送对现场级设备的控制数据，主PLC控制系统保存对现场级设备控制数据的同时，对现场级设备进行程序控制使现场级设备按照设定的场景场次运动；同时，第二控制台的监控模块根据心跳原理通过从PLC控制系统读取当前现场级设备的状态、位置数据来监控主PLC控制系统的当前工作状态，如果没有心跳，则通过同类PLC控制系统之间的切换开关进行切换；由于主从PLC控制系统之间的数据是实时交换，当切换到从PLC控制系统时仍然可以获取当前场景执行场次，继续工作；第三控制台的监控模块不断的检测处于使用中的从PLC控制系统，当从PLC控制系统发生故障时，第二控制台的发送数据模块将监控模块监控到的故障信息和当前需要执行的场景数据发送给第三控制台，第三控制台的接收模块接收该信息和数据后，由储存模块储存，并通过发送数据模块向切换开关发送切换指令，同时向异类PLC控制系统发送当前需要执行的场景数据，将运行场景切换到当前接续工作的场景上，以使异类PLC控制系统在故障点继续开始工作。

2.根据权利要求1所述的一种异类PLC多级冗余控制系统，其特征在于：同类PLC控制系统与异类PLC控制系统之间的切换开关是运用标志位由0变为1进行故障切换的。